CN105063008A - 一种以改性硅藻土为载体的固定化芽胞漆酶及其制备方法与应用 - Google Patents

一种以改性硅藻土为载体的固定化芽胞漆酶及其制备方法与应用 Download PDF

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本发明公开了一种固定化芽胞漆酶及其制备方法与应用,属于固定化技术领域和废水处理领域。本发明公开的固定化芽胞漆酶由芽胞杆菌属菌株所产的芽胞漆酶通过酰胺键固定在硅藻土表面或孔隙中得来;其制备过程包含芽胞的制备、硅藻土改性、固定和收集四个步骤,操作简便,酶活回收率高;其结合力强,载体资源丰富,价格低廉,是一种理想的固定化载体。本发明提供的固定化芽胞漆酶可直接用于染料的脱色处理,并且具有较高的可重复利用能力。

Description

一种以改性硅藻土为载体的固定化芽胞漆酶及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及一种固定化芽胞漆酶及其制备与应用,属于固定化技术领域和废水处理领域。
背景技术
漆酶(laccase)是一种含铜多酚氧化酶。漆酶可以氧化许多酚类物质,如单酚、二酚、多酚、氨基酚、甲氧基苯酚等,在介体的辅助下,还可以与非酚类物质反应。漆酶在催化底物氧化的同时,将氧还原为水,本身不会产生有害物质,是一种非常环保的生物催化剂,可用于染料脱色、饮料处理,制浆漂白以及生物传感器等研究和应用中。
漆酶广泛存在于真菌、细菌、植物和昆虫中。近年来的研究表明,细菌漆酶比真菌漆酶更耐碱耐热。因为纺织染料废水高温高碱性的特点,细菌漆酶被认为是纺织染料废水生物处理方法的潜在催化剂。固着于芽胞表面的CotA蛋白是研究得最深入的细菌,其异源表达于大肠杆菌的CotA漆酶和以芽胞整体作为催化剂的芽胞漆酶表现出了耐碱耐热的品质,在染料脱色中展现出了良好的应用潜力。
对酶进行固定化通常可以提高酶的稳定性、易于酶的分离,而且可以提高酶的重复使用率,降低工业化应用的成本。游离芽胞漆酶虽然比真菌漆酶更耐碱耐热,但不方便分离,难以重复利用,在工业化应用中受到限制。芽胞漆酶作为一种新兴的研究对象,至今鲜有固定化的报道。相对一般的酶,芽胞体积较大,呈刚性特征;相对于一般的丝状真菌,芽胞不可缠绕于其他纤维上,亦不会形成菌丝球;相对于一般单细胞,芽胞表面不是由一层细胞膜或细胞壁构成。所以,传统的固定化酶和固定化细胞的经验并不能完全适用于芽胞的固定化。例如,芽胞由于体积大而难以通过吸附法进行固定。
发明内容
本发明旨在提供一种简便可行的芽胞固定化方法,以此方法制备得到可重复利用的固定化芽胞漆酶,并应用于染料脱色。
所述固定化芽胞漆酶通过以下步骤来制备:
(1)制备芽胞杆菌属菌株所产的芽胞;
(2)改性硅藻土的制备:称取2g硅藻土,浸泡于20-100ml有机溶剂中,再往其中添加1-20ml3-氨丙基三乙氧基硅烷,充分混匀,再将其置于50-120℃水浴回流或摇床上旋转振荡2-24h;洗涤,抽滤并收集;
(3)共价连接:将制备好的改性硅藻土按20-100mg改性硅藻土:1ml缓冲液(pH5.0-8.0)分散到缓冲液;往上述混合物中添加碳二亚胺盐酸盐使其终浓度为0.1-2.0mg/ml,并使用超声波振荡5-30min,使其充分散;往含碳二亚胺盐酸盐的混合液中添加芽胞,使其终浓度为1.0-10.0mg/ml,并用超声波振荡处理10-60min;将经上述处理得到的混合物直接转移至摇床,在4-40℃,50-250r/min条件下处理1-48h;
(4)回收:芽胞与改性硅藻土混合物经混合固定化处理后,过滤,用缓冲液冲洗1-5次,分别收集上清液和固定化芽胞,保藏于0-40℃。
在本发明的一种实施方式中,步骤(1)所述的芽胞制备包括以下步骤:
①将产漆酶的芽胞杆菌属菌株在37℃条件下在生孢培养基上培养2d;
②以8000r/min的离心速度对上述培养物进行10min的离心,收集芽胞;
③水洗芽胞1次;
④水洗所得的的芽胞加入溶菌酶使其终浓度为1mg/ml,在37℃条件下保温2h。
⑤培养物经溶菌酶处理后,先后经1MNaCl和1MKCl洗,8000r/min离心10min收集芽胞。
⑥对芽胞进行湿重称量,用去离子水重悬芽胞,浓度为100mg/ml。
其中,所述的芽胞产生菌株包括但不限于BacilluspumilusW3。
在本发明的一种实施方式中,步骤(2)所述的有机溶剂为无水乙醇。添加量为48ml。
在本发明的一种实施方式中,步骤(2)所述的3-氨丙基三乙氧基硅烷添加量为2ml。
在本发明的一种实施方式中,步骤(2)所述的充分混匀的方式为超声波处理,处理时间为30min。
在本发明的一种实施方式中,步骤(2)所述的3-氨丙基三乙氧基硅烷连接在70℃,200r/min的摇床上进行,所述旋转振荡时间为12h。
在本发明的一种实施方式中,步骤(3)改性硅藻土按40g改性硅藻土:1L缓冲液分散于缓冲液中。
在本发明的一种实施方式中,步骤(3)所用缓冲液为磷酸二氢钾-磷酸氢二钾缓冲液(pH7.0,0.05M)。
在本发明的一种实施方式中,步骤(3)所述的碳二亚胺盐酸盐添加量为0.4mg/ml,超声波处理时间为10min。
在本发明的一种实施方式中,步骤(3)所述芽胞添加量为5mg/ml,添加芽胞后超声波处理时间为30min。
在本发明的一种实施方式中,步骤(3)所述的芽胞经超声处理后的固定化处理条件为室温,200r/min,12h。
其中,所述的硅藻土包括但不限于Celite545。
本发明还提供应用上述固定化芽胞漆酶对染料废水进行脱色处理的方法,是向染料废水中添加适量固定化芽胞漆酶,在适当温度、pH条件下,对纺织染料废水进行脱色处理。
所述染料废水中的染料包括但不限于甲基绿、甲基红和酸性红1。
所述脱色处理的pH条件可以为7.0。不同染料的最适脱色pH值可能会有不同。
所述脱色处理的的温度范围为30-70℃。
所述脱色处理可以在150r/min-250r/min转速的摇床或搅拌速度下进行,也可以通过流化床以及其他形式来进行。
所述脱色处理的时间可以是24-48h。
所述脱色处理过程中,可以添加2,2’-联氮基-双(3-乙基苯并噻唑-6-磺酸)二铵盐作为介体,也可以添加其他化合物作为介体或不添加介体。介体添加浓度可以为0.1mM。
针对混合染料脱色时,可先利用游离芽胞漆酶作为催化剂先确定漆酶对混合染料脱色条件的偏好。
本发明的优点和有益效果在于:(1)本发明提供了一种结合稳定的固定化芽胞漆酶,其可通过沉降自然分离,分离过程不需添加任何压力,还可反复使用。(2)本发明提供的固定化芽胞漆酶制备方法,过程简单,硅藻土资源丰富,制作成本较低。(3)本发明所提供的固定化芽胞漆酶可反复应用于染料脱色,并保持较高的脱色能力。
附图说明
图1改性硅藻土的制备及芽胞的固定化流程图;
图2固定化芽胞漆酶的重复利用能力。
具体实施方式
漆酶酶活测定方法:称取0.1g固定化芽胞漆酶置于3.5ml柠檬酸磷酸盐缓冲液(0.1M,pH6.8)中,在37℃保温15min,添加底物反应5min,然后冰水浴10min以终止反应,以10000r/min离心反应样品,取上清液检测吸光值。底物为丁香醛连氮(0.05mM),检测波长为525nm。
固定化率=(初始酶活-上清液酶活)/初始酶活×100%
酶活回收率=固定化芽胞漆酶活/(初始酶活-上清液酶活)×100%
初始酶活是指:游离芽胞漆酶酶活。以该游离芽胞漆酶作为对照组,其芽胞量和处理过程与固定化芽胞漆酶相同(不添加载体)。
上清液酶活是指:芽胞与硅藻土混合固定化处理后,上清液中残余酶活。
脱色率用分光光度法在各染料的最大吸收波长处进行检测,各染料的最大吸收波长分别为λ=630nm(甲基绿),λ=435nm(甲基红)和λ=531nm(酸性红1)。
脱色率=(对照组吸光值-实验组吸光值)/对照组吸光值×100%
实施例1硅藻土氨基化及芽胞漆酶固定化方法1
称取2g硅藻土,倒入95ml无水乙醇中,同时加入5ml3-氨丙基三乙氧基硅烷,摇匀该混合物,并用超声波处理30min。经上述处理的混合物置于70℃,200r/min的条件下处理5h。反复洗涤上述处理好的改性硅藻土,过滤收集。
将上述制备好的硅藻土浸入40ml磷酸二氢钾-磷酸氢二钾缓冲液(pH7.0,50mM)中,加入5ml碳二亚胺盐酸盐(2mg/ml)超声处理10min,然后加入3ml芽胞悬液(100mg/ml,湿重),超声处理30min,转入摇床在200r/min,37℃条件下继续固定12h。用缓冲液洗涤3次,过滤收集。经测得酶活回收率为82.29%。
实施例2硅藻土氨基化及芽胞漆酶固定化方法2
称取2g硅藻土,倒入48ml无水乙醇中,同时加入2ml3-氨丙基三乙氧基硅烷,摇匀该混合物,并用超声波处理30min。经上述处理的混合物置于70℃,200r/min的条件下处理12h。反复洗涤上述处理好的改性硅藻土,过滤收集。
将上述制备好的硅藻土浸入40ml磷酸二氢钾-磷酸氢二钾缓冲液(pH7.0,50mM)中,加入4ml碳二亚胺盐酸盐(4mg/ml)超声处理10min,然后加入2ml芽胞悬液(100mg/ml,湿重),超声处理30min,转入摇床在200r/min,37℃条件下继续固定12h。用缓冲液洗涤3次,过滤收集。经测得酶活回收率为83.16%。
实施例3硅藻土氨基化及芽胞漆酶固定化方法3
称取5g硅藻土,倒入75ml无水乙醇中,同时加入5ml3-氨丙基三乙氧基硅烷,摇匀该混合物,并用超声波处理30min。经上述处理的混合物置于70℃,200r/min的条件下处理10h。反复洗涤上述处理好的改性硅藻土,过滤收集。
将上述制备好的硅藻土浸入85ml磷酸二氢钾-磷酸氢二钾缓冲液(pH7.0,50mM)中,加入10ml碳二亚胺盐酸盐(4mg/ml)超声处理10min,然后加入5ml芽胞悬液(100mg/ml,湿重),超声处理30min,转入摇床在200r/min,37℃条件下继续固定12h。用缓冲液洗涤3次,过滤收集。经测得酶活回收率为67.44%。
实施例4硅藻土氨基化及芽胞漆酶固定化方法4
称取2g硅藻土,倒入48ml无水乙醇中,同时加入2ml3-氨丙基三乙氧基硅烷,摇匀该混合物,不经超声波处理直接置于70℃,200r/min的条件下处理12h。反复洗涤上述处理好的改性硅藻土,过滤收集。
将上述制备好的硅藻土浸入40ml磷酸二氢钾-磷酸氢二钾缓冲液(pH7.0,50mM)中,加入4ml碳二亚胺盐酸盐(4mg/ml)超声处理10min,然后加入2ml芽胞悬液(100mg/ml,湿重),超声处理30min,转入摇床在200r/min,37℃条件下继续固定3h。用缓冲液洗涤3次,过滤收集。经测得酶活回收率为65.19%。
实施例5硅藻土氨基化及芽胞漆酶固定化方法5
称取2g硅藻土,倒入48ml无水乙醇中,同时加入2ml3-氨丙基三乙氧基硅烷,摇匀该混合物,不经超声波处理直接置于70℃,200r/min的条件下处理12h。反复洗涤上述处理好的改性硅藻土,过滤收集。
将上述制备好的硅藻土浸入40ml磷酸二氢钾-磷酸氢二钾缓冲液(pH7.0,50mM)中,加入4ml碳二亚胺盐酸盐(4mg/ml)超声处理10min,然后加入2ml芽胞悬液(100mg/ml,湿重),超声处理30min,转入摇床在200r/min,37℃条件下继续固定12h。用缓冲液洗涤3次,过滤收集。经测得酶活回收率为77.71%。
实施例6硅藻土氨基化及芽胞漆酶固定化方法6
称取2g硅藻土,倒入48ml无水乙醇中,同时加入2ml3-氨丙基三乙氧基硅烷,摇匀该混合物,不经超声波处理直接置于70℃,200r/min的条件下处理12h。反复洗涤上述处理好的改性硅藻土,过滤收集。
将上述制备好的硅藻土浸入40ml磷酸二氢钾-磷酸氢二钾缓冲液(pH7.0,50mM)中,加入4ml碳二亚胺盐酸盐(4mg/ml)超声处理10min,然后加入2ml芽胞悬液(100mg/ml,湿重),超声处理30min,转入摇床在200r/min,37℃条件下继续固定24h。用缓冲液洗涤3次,过滤收集。经测得酶活回收率为79.84%。
实施例7固定化芽胞漆酶用于染料脱色
将实施例2制备所得的固定化芽胞漆酶应用于染料脱色。染料包括甲基绿(4g/l),甲基红(4g/l)和酸性红1(4g/l)。称取0.1g固定化芽胞漆酶置于试管中,依次加入介体100ul2,2’-联氮基-双(3-乙基苯并噻唑-6-磺酸)二铵盐(终浓度为0.1mM),染料(分别为100ul甲基绿,50ul甲基红和50ul酸性红1),最后加入0.1M柠檬酸磷酸盐缓冲液(pH7.0)使其最终反应体系为4ml。将混合反应液放入摇床,在220r/min,37℃条件下脱色48h。最终染料脱色率如表1所示。
表1:固定化芽胞漆酶应用于染料脱色的脱色效率
实施例8固定化芽胞漆酶的可重复使用能力测定
以酸性红1为脱色对象,按实施例7的方法检测固定化芽胞漆酶对染料脱色的重复利用能力。如图2所示,固定化芽胞漆酶在重复使用6次后,其脱色活力仍具初次脱色时脱色活力的87.04%。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上,但其并非用以限定本发明,任何熟悉此技术的人,在不脱离本发明的精神和范围内,都可做各种的改动与修饰,因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.一种固定化芽胞漆酶,其特征在于,以改性硅藻土为载体,通过共价结合和/或物理吸附的作用将芽胞漆酶固定在硅藻土表面或孔隙中。
2.根据权利要求1所述的固定化芽胞漆酶,其特征在于,所述改性硅藻土为3-氨丙基三乙氧基硅烷氨基化硅藻土。
3.根据权利要求1所述的固定化芽胞漆酶,其特征在于,所述硅藻土为Celite545。
4.一种制备权利要求1-3任一所述固定化芽胞漆酶的方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)制备芽胞杆菌属菌株所产的芽胞;
(2)改性硅藻土的制备:称取2g硅藻土,浸泡于20-100ml有机溶剂中,再往其中添加1-20ml3-氨丙基三乙氧基硅烷,充分混匀,再将其置于50-120℃水浴回流或摇床上旋转振荡2-24h;洗涤,抽滤并收集;
(3)共价连接:将制备好的改性硅藻土按20-100mg改性硅藻土:1ml缓冲液(pH5.0-8.0)分散到缓冲液;往上述混合物中添加碳二亚胺盐酸盐使其终浓度为0.1-2.0mg/ml,并使用超声波振荡5-30min,使其充分散;往含碳二亚胺盐酸盐的混合液中添加芽胞,使其终浓度为1.0-10.0mg/ml,并用超声波振荡处理10-60min;将经上述处理得到的混合物直接转移至摇床,在4-40℃,50-250r/min条件下处理1-48h;
(4)回收:芽胞与改性硅藻土混合物经混合固定化处理后,过滤,用缓冲液冲洗1-5次,分别收集上清液和固定化芽胞,保藏于0-40℃。
5.权利要求4所述的制备方法,其特征在于,步骤(2)所述有机溶剂为无水乙醇,体积为48ml,所述3-氨丙基三乙氧基硅烷添加量为2ml,所述反应温度为70℃,所述旋转振荡时间为12h。
6.权利要求4所述的制备方法,其特征在于,步骤(3)所述改性硅藻土添加量为50mg/ml,所用缓冲液为磷酸二氢钾-磷酸氢二钾缓冲液(pH7.0,0.05M),碳二亚胺盐酸盐的添加量为0.4mg/ml,添加碳二亚胺盐酸盐后超声波处理时间为10min。
7.权利要求4所述的制备方法,其特征在于,步骤(3)所述芽胞添加量为5mg/ml,添加芽胞后超声波处理时间为30min,固定化的条件为室温,200r/min,12h。
8.权利要求1所述的固定化芽胞漆酶在染料废水的脱色处理中的应用。
9.根据权利8所述的应用,其特征在于,向废水中添加介体,所述介体为2,2'-联氮基-双(3-乙基苯并噻唑-6-磺酸)二铵盐。
10.根据权利8所述的应用,其特征在于,所述的染料为甲基绿、甲基红或酸性红1中的一种或几种。
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